機械專業單片機課程教學改革

張艷榮 曹偉青 林發明

西南交通大學機械工程學院 四川成都 610031

機電一體化是工業生產、加工和制造的未來發展方向，單片機在機電控制系統中占據著極其重要的地位，小到智能玩具，大到自動化生產線，處處都有單片機的用武之地。因此，單片機課程一直都是機械專業學生的必修課。

與電類專業不同，機械類專業的單片機課程課時較少。一方面，機械專業的學生沒有微機基礎知識，課程要講解的知識點很多，很難壓縮理論學時；另一方面，單片機又是一門實踐性很強的課程，沒有足夠的實踐，很難達到較好的學習效果。為了突破這一瓶頸，越來越多的課程教學借助于仿真軟件[1-4]和項目化教學[5,6]等手段來提高學生的學習效果。但通過實際教學發現，仿真軟件有其缺陷，不能完全取代真實的實驗平臺。因此，本文將仿真軟件與傳統的理論教學和實驗平臺相結合，二者相輔相成，能夠最大限度地激發學生的學習興趣，提高學習效果，并培養學生的工程思維能力、動手能力和解決復雜問題的綜合能力和高級思維。

1 現有授課模式的缺陷

1.1 傳統教學的缺陷

傳統的單片機教學過程以理論教學為主，實驗教學為輔，二者之間沒有更多的關聯。由于學生此前沒有計算機基礎知識，課程需要從最基本的計算機數制開始，依次講述單片機內部結構、匯編語言編程、單片機接口控制、定時器/計數器、串行通信到ADC和DAC控制以及內存和IO口擴充等內容，由于知識點眾多，內容比較枯燥，學生實驗的機會少，使得學生對本課程學習有畏難情緒，也很難把這些知識與實際實驗聯系起來，因而學習效果不佳。

傳統的單片機實驗需要在實驗室完成。在傳統實驗教學中，教師首先講解實驗原理和實驗內容，給出實驗步驟，然后學生按照實驗指導書的指導進行連線，輸入實驗程序，最后運行程序，檢查實驗結果是否正確。在這有限的時間中，學生很難做到自己分析任務和完成任務，更遑論獨立解決實驗中遇到的問題。因此，基于Proteus仿真軟件的單片機輔助教學得到廣泛重視和使用。

1.2 仿真軟件的缺陷

仿真平臺的使用，一方面使得理論教學變得生動，教師可以給學生邊講解邊演示，從而加深學生對理論知識的理解；另一方面能使學生擺脫傳統實驗室場地和時間的限制，根據自己的實際情況自由安排學習進度和課程設計進度，在遇到問題時也能有更充裕的時間查找資料，尋找解決問題的辦法，因此可以盡可能獨立完成任務，提高學生的動手能力。但是，Proteus軟件也有其局限性。

第一，仿真電路與實際電路存在較大差距，如果完全按照仿真電路搭建實際系統，則系統無法正常工作。例如，仿真軟件無須繪制單片機的外接晶體振蕩器電路，系統即可正常工作，但這在實際電路中卻不可或缺。

第二，仿真軟件的元件庫不能涵蓋全部的真實元件，因此它不能仿真任意電路系統。

第三，Proteus仿真電路只能對系統進行功能驗證，而不能完成精確地控制。要實現精確控制，仍然需要搭建實際系統。例如，設計一個恒溫控制器，需要根據當前溫度，采用PID方法進行閉環控制。仿真軟件可以驗證控制信號的輸出、AD芯片的采集，但系統的加溫過程與周圍環境溫度密切相關，外部環境溫度對系統性能的影響很難用Proteus仿真實現。因此，對于恒溫控制器的加溫效果，實物設計和測試驗證仍然必不可少。

第四，很多復雜的通信接口難于仿真實現，如USB接口、CAN接口、網絡接口等。

2 虛實結合的教學方法

2.1 教學方法

基于以上原因，在單片機課程教學過程中，將虛擬仿真和理論教學以及實際實驗結合起來，三者相互關聯，相輔相成，貫穿于整個課程的教學過程中。具體實施方法：首先確定設計任務，然后將設計項目采用自上向下的設計方法，把整個項目分解為小模塊，每個小模塊就是一個獨立的小任務，它們分別對應相應的理論授課內容和基礎驗證型實驗。首先，在理論授課過程中，子模塊作為小練習，由學生使用Proteus仿真軟件搭建并驗證它們的功能；然后，學生在基礎實驗項目中搭建硬件平臺，實現子模塊功能；最后，在學期結束前兩周，讓學生搭建整個項目硬件系統，對子任務進行整合，設計綜合程序，然后對系統進行實際調試，完成整個項目的實際訓練，并提交設計報告。

2.2 項目示例

本項目是設計一個溫度控制器，它用于給半導體激光器(LD)提供恒定溫度，以保證激光輸出的穩定性。主要任務如下。

(1)系統能夠在6 min的時間內達到設定溫度。

(2)溫度達到穩態時，控制精度為±0.1 ℃。

(3)溫度控制范圍為40～200 ℃。

(4)控制器通過串口與電腦通信，接收來自電腦的啟動/停止指令，并把當前溫度發送給電腦。

2.2.1 系統硬件組成

系統硬件框圖如圖1所示。其中，陶瓷加熱片和Pt100(熱敏電阻)被封閉在隔熱夾具內，以盡量減小系統與環境的熱交換，從而提高LD溫度控制的準確性。

圖1 恒溫控制器硬件組成框圖

系統工作過程如下：陶瓷加熱片用于給LD加溫，加熱方法采用基于PID的PWM波控制法。系統溫度由Pt100檢測，經R-V變換和AD變換后，溫度數據送入單片機，由單片機進行采集和處理：一方面通過串口轉發給電腦，從電腦上實時監測當前溫度；另一方面送入PID算法模塊，計算出新的PWM波占空比，從而控制加熱速度。

通過分析，恒溫控制器可以被劃分為4個子模塊：PWM波輸出模塊、溫度采集模塊、串行通信模塊以及PID控制模塊。

PWM模塊和串行通信模塊可以分別使用單片機內部的定時器/計數器和串行口實現。PID控制屬于軟件設計部分。

溫度采集模塊需要外接R-V變換電路和ADC芯片，R-V變換有兩線制、三線制和四線制[7]，為了提高測量精度，本系統采用四線制，如圖2所示。根據200 ℃的最大溫度要求和0.1 ℃的識別精度要求，ADC芯片的位寬至少為12 bit，本項目選擇的是TCL2543數據轉換器。

圖2 R-V變換模塊

2.2.2 軟件設計

圖3所示為主程序流程圖，其中系統初始化包括定時器/計數器初始化，串口初始化和ADC初始化。初始化完成后，系統進入無限循環狀態。此時，若接收到溫度設置命令，則設置系統目標溫度；若接收到啟動命令，則啟動PID控制，控制系統加熱到目標溫度并保持穩定。在系統工作期間，如果收到停止命令，則停止PID控制，返回待機狀態；否則，一直進行PID控制。在PID控制過程中，單片機同時將當前實際溫度上報給PC機。

圖3 主程序流程圖

圖4所示為恒溫控制器的控制結果，該圖由PC機軟件繪制，考慮到設計難度，PC機程序由教師編寫。圖中預設溫度為80℃，從圖中可以看出，系統工作良好，達到了實驗要求。

圖4 溫度控制結果

2.2.3 授課安排

根據上述劃分，在授課時把三大硬件模塊和PID控制算法模塊分別穿插到定時器/計數器、串口通信、ADC控制以及控制算法的授課環節中，分別設計相應的基礎驗證型實驗：PWM波產生實驗，串行通信實驗以及TCL2543控制實驗。對應這3個基礎實驗，布置相應的仿真作業。由于仿真實驗沒有時間和空間的限制，學生可以有充裕的時間進行設計和調試，在遇到困難時能夠與教師進行充分的交流和討論，從而在實際測試時能在短時間內順利完成實驗，并獲得較大的學習收益。在完成這些基本實驗后，學生著手設計整個項目的硬件和軟件，完成整個系統的設計和調試。

2.2.4 實施效果

圖5所示為課程教改實施后的學習效果調查圖，從調查結果看，新的教學方法對提高學生的學習積極性有很大幫助，同時，絕大多數學生對課程的體系架構有了更清晰的認識，也能將知識用于實踐設計中。但從教學滿意度看，這種方法并不能讓每名學生都滿意，對于學習較吃力的學生，需要在后續改革過程中，給予更多的關注，注意學生學習的個性化，做到因材施教，并在綜合項目的難度上進行梯度設計，使不同能力的學生都能有所收獲，讓每名學生都獲得成就感。

圖5 課程教學效果調查

3 結語

本文針對目前機械專業學生單片機課程課時較少，但教學內容難于壓縮，并且工程實踐能力要求較高的矛盾，將Proteus仿真平臺和傳統的理論和實驗教學相結合，三者相輔相成，把較大型項目拆分為小模塊，融入平時的課程教學中。通過仿真平臺、理論教學和實際系統的配合訓練，可以培養學生解決復雜問題的綜合能力和高級思維。

通過兩年的教學實踐，學生普遍反映較好，認為對工程能力的提高有很大幫助，實現了教和學的良性互動。對學生的后續實踐項目，如個性化實驗、大學生實訓項目、創新設計大賽、機器人大賽等，也有很大幫助。